科學(xué)家發(fā)現(xiàn)石墨烯罕見電子態(tài) 石墨烯產(chǎn)業(yè)化規(guī)劃發(fā)展方向

• 黃江 2023年10月23日 來源：新浪 1033 65
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從石墨烯的發(fā)現(xiàn)獲得了2010年諾貝爾獎，石墨烯便引發(fā)了國際科學(xué)界的廣泛關(guān)注，在復(fù)合材料、電子器件、儲能電池、航天、軍工、生物醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域都有廣闊的使用空間。而我國對石墨烯領(lǐng)域發(fā)展的重視程度也上升到前所未有的高度，在技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化規(guī)劃發(fā)展方向上，達到了世界

石墨烯本質(zhì)上只是一層超薄的普通石墨——薄到只有一個原子那么厚。但它具有超強超導(dǎo)性和柔韌性，有望徹底改變電子產(chǎn)品、服裝、甚至航空航天工程等相當(dāng)多領(lǐng)域。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)石墨烯罕見電子態(tài)

近期，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家在石墨烯中發(fā)現(xiàn)了另一個令人驚訝的特性：當(dāng)以菱形圖案堆疊成五層時，石墨烯呈現(xiàn)出非常罕見的“多鐵性”狀態(tài)，并表現(xiàn)出非常規(guī)磁性和奇特的電子行為。有鑒于此，該團隊創(chuàng)造了“鐵谷性”。

麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家Long Ju說：“石墨烯是一種迷人的材料。你添加的每一層基本上都是一種新材料?，F(xiàn)在這是我們第一次在五層石墨烯中看到鐵谷性和非常規(guī)磁性。但我們在一層、兩層、三層或四層中看不到這種特性?！?/p>

鐵質(zhì)材料在其電、磁或結(jié)構(gòu)特性上表現(xiàn)出某種協(xié)調(diào)的行為——例如，像磁鐵一樣，它的電子都自旋并指向同一個方向，而不受外部磁場的引導(dǎo)。在其他材料中，電子可能會排列成微小的漩渦。要成為多鐵性材料，同一材料必須表現(xiàn)出多種類型的協(xié)調(diào)行為。

重要的是，這創(chuàng)造了一個電子被減慢的環(huán)境，鐵磁性排列開始發(fā)生。在最新研究中，科學(xué)家們通過對自然形成的五層石墨烯薄片的仔細(xì)分析，研究人員確實看到了多鐵性行為。

首先，有一種非常規(guī)的磁性，電子協(xié)調(diào)它們的軌道運動(而不是像標(biāo)準(zhǔn)磁鐵那樣自旋或旋轉(zhuǎn))。其次，電子表現(xiàn)出傾向于在一個特定的電子“谷”(或低能態(tài))中定居，而在標(biāo)準(zhǔn)石墨烯中，它們沒有表現(xiàn)出任何偏好。

研究人員表示，這一發(fā)現(xiàn)最終可以有效地將芯片的數(shù)據(jù)存儲容量提高一倍，幫助工程師為經(jīng)典和量子計算機設(shè)計超低功耗、高容量的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備。最新研究成果已于近期發(fā)表在了《自然》雜志上。

從石墨烯的發(fā)現(xiàn)獲得了2010年諾貝爾獎，石墨烯便引發(fā)了國際科學(xué)界的廣泛關(guān)注，在復(fù)合材料、電子器件、儲能電池、航天、軍工、生物醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域都有廣闊的使用空間。而我國對石墨烯領(lǐng)域發(fā)展的重視程度也上升到前所未有的高度，在技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化規(guī)劃發(fā)展方向上，達到了世界一線水平。

2023石墨烯技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化規(guī)劃發(fā)展方向

近些年來石墨烯的發(fā)現(xiàn)，引起了電子通訊、鋰離子電池、航天軍工、生物醫(yī)藥、環(huán)保、太陽能、光電等新興領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，這些新材料的發(fā)展，構(gòu)成天然石墨產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，未來在高科技產(chǎn)業(yè)市場潛力巨大，隨著下游應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，2021年全球天然石墨產(chǎn)量增幅明顯，2021年全球天然石墨產(chǎn)量達122.30萬噸，較2020年增加了16.93萬噸，同比增長16.07%。

最初的石墨原材料開采，到深加工成鋰離子電池負(fù)極材料，再到新能源材料——石墨烯，隨著石墨資源產(chǎn)業(yè)精深加工及開發(fā)，石墨烯如今身價倍增。

全球石墨礦開采國主要有巴西、加拿大、中國、印度、馬達加斯加、墨西哥、莫桑比克、挪威、俄羅斯、斯里蘭卡、土耳其、烏克蘭等，2021年天然石墨產(chǎn)量分布完成95.0千噸、7.7千噸、820.0千噸、40.2千噸、88.1千噸、1.7千噸、72.0千噸、6.3千噸、15.2千噸、4.3千噸、15.2千噸、3.2千噸。

2021年中國天然石墨產(chǎn)量全球排名第一，占全國天然石墨總產(chǎn)量的67.05%;巴西天然石墨總產(chǎn)量的7.77%;馬達加斯加天然石墨總產(chǎn)量的7.20%;莫桑比克天然石墨總產(chǎn)量的5.89%;印度天然石墨總產(chǎn)量的3.29%;俄羅斯天然石墨總產(chǎn)量的1.25%;土耳其天然石墨總產(chǎn)量的1.24%。

石墨烯，是導(dǎo)熱、導(dǎo)電性最強的新型納米材料，近幾年隨著國際礦業(yè)進入調(diào)整期，曾經(jīng)以煤炭作為經(jīng)濟支柱的黑龍江遭遇到了產(chǎn)能過剩的“陣痛”，而隨著以石墨、石墨烯為主的高新技術(shù)企業(yè)的進駐，再加上自身石墨資源的優(yōu)勢，石墨產(chǎn)業(yè)或?qū)⒊蔀槲沂〗?jīng)濟轉(zhuǎn)型的新動力。

前全球石墨烯研發(fā)集中在兩個領(lǐng)域，一種是作為戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的薄膜石墨烯，是將來做微電子不可或缺的高端產(chǎn)品，但是目前薄膜石墨烯技術(shù)成熟度不高，還很難形成產(chǎn)業(yè)化。另一種就是石墨烯導(dǎo)電漿料，市場前景異常廣闊。根據(jù)測算，到2020年，以500萬輛電動汽車為參考基數(shù)，僅石墨烯導(dǎo)電劑一項產(chǎn)業(yè)，市場將達到200億左右。

袁國輝樂觀地表示，目前國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)市場日趨成熟，隨著市場需求不斷擴大，原有每年生產(chǎn)1000噸的生產(chǎn)線，已經(jīng)不能滿足需求，為此哈爾濱萬鑫石墨谷科技有限公司已經(jīng)開始建設(shè)一條年生產(chǎn)10000噸的生產(chǎn)線。

根據(jù)中研普華研究院《2023-2028年國內(nèi)石墨制品行業(yè)發(fā)展趨勢及發(fā)展策略研究報告》顯示：

根據(jù)工信部2021年12月31日印發(fā)的《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄(2021年版)》，石墨烯散熱材料、石墨烯導(dǎo)熱復(fù)合材料等六類石墨烯材料被列入前沿新材料。

隨著在石墨烯領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究突破不斷涌現(xiàn)，全球已有80多個國家和地區(qū)布局石墨烯相關(guān)產(chǎn)業(yè)，密集出臺了多個創(chuàng)新戰(zhàn)略、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、扶持政策等，并提供大量資金支持。特別是美國、歐盟、日本、韓國等均將石墨烯研究與應(yīng)用提升至國家戰(zhàn)略高度。

我國石墨烯材料在新能源、散熱領(lǐng)域的應(yīng)用逐步成熟，石墨烯散熱材料行業(yè)迎來發(fā)展熱潮。截至2021年8月中國石墨烯專利申請量占全球石墨烯專利總申請量的68%，是全球石墨烯第一大技術(shù)來源國。

據(jù)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟(CGIA)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，預(yù)計我國石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模從2015年的6億元增長至2020年的135億元，年均復(fù)合增長率達86.40%。

隨著在石墨烯領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究突破不斷涌現(xiàn)，全球已有 80 多個國家和地區(qū)布局石墨烯相關(guān)產(chǎn)業(yè)，密集出臺了多個創(chuàng)新戰(zhàn)略、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、扶持政策等，并提供大量資金支持。特別是美國、歐盟、日本、韓國等均將石墨烯研究與應(yīng)用提升至國家戰(zhàn)略高度。

其中，美國擁有最為完善的石墨烯研究與應(yīng)用鏈，其在石墨烯領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究及相關(guān)產(chǎn)業(yè)化布局由國家科學(xué)基金(NSF)、美國能源部(DOE)等政府機構(gòu)主導(dǎo)，合計已投資數(shù)十億美元，資助項目達上千項，重點支持石墨烯晶體管、儲能、生物技術(shù)等領(lǐng)域;歐盟在石墨烯領(lǐng)域研究起步較早且更具系統(tǒng)性，其于 2013 年提出的投資 10 億歐元的“石墨烯旗艦計劃”為歐洲有史以來規(guī)模最大的研究計劃，制定了詳細(xì)的十年發(fā)展規(guī)劃并持續(xù)至今;日本依托其扎實的傳統(tǒng)碳材料產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，以包括日本東京大學(xué)、名古屋大學(xué)等在內(nèi)的多所大學(xué)和日立、索尼、東芝等眾多企業(yè)為主體，投入大量資金和人力，集中于石墨烯在新能源電池、半導(dǎo)體、復(fù)合材料等領(lǐng)域的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化;韓國的石墨烯產(chǎn)業(yè)通過產(chǎn)學(xué)密切結(jié)合，基礎(chǔ)研究快速發(fā)展，以韓國三星集團和 LG 公司為代表，保證了韓國在石墨烯柔性顯示、觸摸屏等領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。綜上所述，世界主要高科技國家均希望在新一輪科技競爭中搶占石墨烯技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點。

石墨烯散熱材料的上游主要為氧化石墨烯前驅(qū)體、保護膜、膠帶等原材料供應(yīng)商，下游目前以中高端智能手機、平板電腦等消費電子產(chǎn)品為主，未來在筆記本電腦、智能可穿戴設(shè)備、ICT設(shè)備、航空航天、醫(yī)療器械等應(yīng)用領(lǐng)域的滲透率有望逐步提升，同時有望拓展至半導(dǎo)體封裝、新能源汽車等其他熱管理領(lǐng)域。

在相關(guān)部門、生產(chǎn)企業(yè)、科研院所、相關(guān)高校等通力合作下，我國石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模、企業(yè)數(shù)量均呈現(xiàn)跨越式增長，是目前石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最活躍的國家之一，專利數(shù)量和產(chǎn)業(yè)化全球領(lǐng)先，截至 2021年 8 月中國石墨烯專利申請量占全球石墨烯專利總申請量的 68%，是全球石墨烯第一大技術(shù)來源國。

目前，我國初步構(gòu)建起以石墨烯原材料研發(fā)、制備、應(yīng)用為主體的產(chǎn)業(yè)鏈，并在部分領(lǐng)域初步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)化進程居全球前列。我國石墨烯材料行業(yè)市場規(guī)模從 2017年的70億元增長至 2022年的348億元，年均復(fù)合增長率達38%以上。

《2023-2028年國內(nèi)石墨制品行業(yè)發(fā)展趨勢及發(fā)展策略研究報告》由中研普華研究院撰寫，本報告對該行業(yè)的供需狀況、發(fā)展現(xiàn)狀、行業(yè)發(fā)展變化等進行了分析，重點分析了行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、如何面對行業(yè)的發(fā)展挑戰(zhàn)、行業(yè)的發(fā)展建議、行業(yè)競爭力，以及行業(yè)的投資分析和趨勢預(yù)測等等。報告還綜合了行業(yè)的整體發(fā)展動態(tài)，對行業(yè)在產(chǎn)品方面提供了參考建議和具體解決辦法。

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